Download Unidad 7 Corriente eléctrica III

UNIDAD Nº 7
CORRIENTE ELÉCTRICA III
OBJETIVO GENERAL
Relacionar el magnetismo con distintos fenómenos que ocurren en la vida
cotidiana como la producción de campos magnéticos haciendo énfasis en los
imanes como el origen de los campos magnéticos y considerando a la Tierra
como un gran imán con fuerza electromagnética e identificándola como una de
las fuerzas fundamentales que está presente siempre en la naturaleza haciendo
un análisis de la aplicación de las leyes de Coulomb y Gauss para el magnetismo y
la inducción electromagnética.
OBJETIVOS ESPECIFICOS




Determinar el origen de un campo magnético.
Identificar a los imanes como los que originan los campos magnéticos.
Explicar y aplicar las leyes de Coulomb y Gauss para el magnetismo.
Identificar la fuerza magnética como una de las fuerzas fundamentales de
la naturaleza.
 Ejemplificar la inducción magnética de corriente eléctrica.
TABLA DE CONTENIDOS
1.
2.
3.
4.
Producción Del Campo Magnético.
Origen Del Campo Magnético: Imanes.
Leyes De Coulomb Y Gauss Para El Magnetismo.
Fuerza Magnética.
5. Inducción Magnética De Corriente Eléctrica.
CONTENIDO Nº 1
PRODUCCIÓN DEL CAMPO MAGNÉTICO
El campo magnético es una propiedad del espacio por la
cual una carga eléctrica puntual de valor q que se
desplaza a una velocidad , sufre los efectos de una fuerza
que es perpendicular y proporcional tanto a la velocidad
como a una propiedad del campo, llamada inducción
magnética (o según algunos autores, Densidad de flujo
magnético). Así, dicha carga percibirá una fuerza descrita
como
F = qv x B
(Nótese que el producto cruz indica un vector perpendicular tanto a v como a B).
La existencia de un campo magnético se pone en evidencia por la propiedad localizada en el
espacio de orientar un magnetómetro (laminilla de acero imantado que puede girar libremente). La
aguja de una brújula, que pone en evidencia la existencia del campo magnético terrestre, puede ser
considerada un magnetómetro.
Si bien algunos marcos magnéticos han sido conocidos desde la antigüedad, como por ejemplo el
poder de atracción que sobre el hierro ejerce la magnetita, no fue sino hasta el siglo XIX cuando la
relación entre la electricidad y el magnetismo quedó patente, pasando ambos campos de ser
diferenciados a formar el cuerpo de lo que se conoce como electromagnetismo.
Antes de 1820, el único magnetismo conocido era el del hierro. Esto cambió con un profesor de
ciencias poco conocido de la Universidad de Copenhague, Dinamarca, Hans Christian Oersted. En
1820 Oersted preparó en su casa una demostración científica a sus amigos y estudiantes. Planeó
demostrar el calentamiento de un hilo por una corriente eléctrica y también llevar a cabo
demostraciones sobre el magnetismo, para lo cual dispuso de una aguja de brújula montada sobre
una peana de madera.
Mientras llevaba a cabo su demostración eléctrica, Oersted notó para su sorpresa que cada vez que
se conectaba la corriente eléctrica, se movía la aguja de la brújula. Se calló y finalizó las
demostraciones, pero en los meses siguientes trabajó duro intentando explicarse el nuevo
fenómeno.¡Pero no pudo! La aguja no era ni atraída ni repelida por ella. En vez de eso tendía a
quedarse en ángulo recto. Hoy sabemos que esto es una prueba fehaciente de la relación intrínseca
entre el campo magnético y el campo eléctrico plasmadas en las ecuaciones de Maxwell.
Como ejemplo para ver la naturaleza un poco distinta del campo magnético basta considerar el
intento de separar el polo de un imán. Aunque rompamos un imán por la mitad éste "reproduce"
sus dos polos. Si ahora partimos estos cachos otra vez en dos, nuevamente tendremos cada cachito
con dos polos norte y sur diferenciados. En magnetismo no existen los monopolos magnéticos.
CONTENIDO Nº 2 pag 108
ORIGEN DEL CAMPO MAGNÉTICO: IMANES
Un campo magnético tiene dos fuentes que lo originan. Una de ellas es una corriente eléctrica de
convección, que da lugar a un campo magnético estático. Por otro lado una corriente de
desplazamiento origina un campo magnético variante en el tiempo, incluso aunque aquella sea
estacionaria.
La relación entre el campo magnético y una corriente eléctrica está dada por la ley de Ampère. El
caso más general, que incluye a la corriente de desplazamiento, lo da la ley de Ampère-Maxwell.
Inexistencia de cargas magnéticas
Cabe destacar que, a diferencia del campo eléctrico, hay otras
que son bien diferentes la neta que si en el campo magnético no
existen monopolos magnéticos, sólo dipolos magnéticos, lo que
significa que las líneas de campo magnético son cerradas, esto
es, el número neto de líneas de campo que entran en una
superficie es igual al número de líneas de campo que salen de la
misma superficie. Un claro ejemplo de esta propiedad viene
representado por las líneas de campo de un imán, donde se
puede ver que el mismo número de líneas de campo que salen
del polo norte vuelve a entrar por el polo sur, desde donde
vuelven por el interior del imán hasta el norte.
Las fuerzas características de los imanes se denominan fuerzas magnéticas. El desarrollo de la
física amplió el tipo de objetos que sufren y ejercen fuerzas magnéticas. Las corrientes eléctricas
y, en general, las cargas en movimiento se comportan como imanes, es decir, producen campos
magnéticos. Siendo las cargas móviles las últimas en llegar al panorama del magnetismo han
permitido, sin embargo, explicar el comportamiento de los imanes, esos primeros objetos
magnéticos conocidos desde la antigüedad.
El término magnetismo tiene su origen en el nombre que en la época de los filósofos griegos
recibía una región del Asia Menor, entonces denominada Magnesia; en ella abundaba una piedra
negra o piedra imán capaz de atraer objetos de hierro y de comunicarles por contacto un poder
similar.
El campo magnético de un imán puede investigarse con una aguja imanada. Los polos
magnéticos del imán con forma de barra y de la aguja imanada se simbolizan con los
siguientes colores:
polo norte
polo sur
rojo
verde
CONTENIDO Nº 3
LEYES DE COULOMB Y GAUSS PARA EL MAGNETISMO
LEY DE COULOMB
“Las fuerzas que se ejercen entre dos polos magnéticos son directamente proporcionales a sus
masas magnéticas e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre ellas”
La anterior es conocida como ley de Coulomb para el magnetismo planteada por el francés André
Coulomb en 1780.
Trata de explicar la fuerza de atracción y la y la de repulsión que se da entre los polos magnéticos
de un imán; se ha determinado la capacidad que tienen los polos magnéticos para atraerse o
repelerse.
La masa magnética es la medida del magnetismo de un polo magnético. Para los polos N (norte)
las masas son positivas. Y para los polos S (sur) las masas son negativas.
mm´
Donde μ es una constante de proporcionalidad llamada:
d2
Permeabilidad magnética cuyo valor es 107 La unidad de medida de la masa magnética en el S.I.
es el weber (Wb)
Matemáticamente:
F
LEY DE GAUSS PARA EL MAGNETISMO
“Los campos magnéticos son continuos, forman trayectorias cerradas y no tienen punto de inicio
ni final. El flujo magnético a través de cualquier superficie cerrada es siempre cero”
Para una superficie cerrada el número de líneas que entran es el mismo que sale, de modo que el
flujo magnético es cero.
ACTIVIDAD: Investigar en que consistieron los experimentos de Hans Christian Oersted y la ley
de Ampere.
CONTENIDO Nº 4
FUERZA MAGNÉTICA
La fuerza magnética es la parte de la fuerza electromagnética total o fuerza de Lorentz que mide
un observador sobre una distribución de cargas en movimiento.
Fuerza magnética sobre un conductor
Un conductor es un hilo o alambre por el que circula una corriente eléctrica. Una corriente
eléctrica es un conjunto de cargas eléctricas en movimiento. Ya que un campo magnético ejerce
una fuerza lateral sobre una carga en movimiento, es de esperar que la resultante de las fuerza
sobre cada carga resulte en una fuerza lateral sobre un alambre que lleva corriente.
Cuando una carga q con una velocidad v está en una región donde hay un campo magnético,
aparece una fuerza que depende de q y de v. A esta fuerza se le llama fuerza magnética y viene
definida por la siguiente expresión :
Fm = q · v × B
( × es el signo del producto vectorial )
Donde B es el campo magnético.
Algunas características de la fuerza magnética son :
- La fuerza magnética es proporcional a la carga q.
- La fuerza magnética es proporcional al módulo de la velocidad v.
- La fuerza magnética es perpendicular al plano definido por los vectores de campo magnético y
velocidad.
- La fuerza magnética es proporcional al seno del ángulo formado por los vectores de velocidad v
y campo magnético B. En el caso de que este ángulo fuera cero, o sea que los dos vectores fueran
paralelos, la fuerza magnética sería nula.
En resumen, cuando una carga q se mueve con una velocidad v en el interior de un campo
magnético B, actúa sobre ella la fuerza magnética Fm .
La dirección y el sentido de la fuerza magnética Fm viene dada por la regla de la mano derecha,
girando de v hacia B.
ACTIVIDAD: RESOLVER LOS EJERCICIOS PROPUESTOS EN LAS PÁGINAS 115 Y 116
DEL LIBRO DE CIENCIAS NATURALES 2º AÑO DE BACHILLERATO DR. FRANCISCO
M. CASTILLO.
CONTENIDO Nº 5
INDUCCIÓN MAGNÉTICA DE CORRIENTE ELÉCTRICA
LEY DE FARADAY
La Ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente Ley de Faraday) se basa en
los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831 y establece que el voltaje inducido en un
circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo
magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde.
Se demuestra la aparición de una corriente eléctrica en una espira, cuando el campo magnético
que atraviesa la superficie limitada por la misma varía con el tiempo. A este proceso se le
denomina inducción electromagnética y es el principio fundamental del generador eléctrico, del
transformador y de otros muchos dispositivos de uso cotidiano. Fueron Michael Faraday, en
Inglaterra, y Joseph Henry, en los Estados Unidos, los que a principios de la década de 1830,
descubrieron, independientemente, este fenómeno físico.
De todo lo anterior habiendo observado estos fenómenos Faraday expresó la ley que dice:
“Siempre que se produzca una variación de flujo magnético a través de un circuito, al alejar o
acercar un imán de una espira, aparecerá en el mismo circuito una Fem inducida”.
La unidad de inductancia es el Henry (H). 1 H = 1 V x s/A
ACTIVIDAD: INVESTIGUE LOS SIGUIENTES TÉRMINOS.





GENERADORES ELÉCTRICOS (DINAMOS)
INDUCTOR ELÉCTRICO.
ARMADURA DE IMAN.
TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS.
INTERRUPTOR ELÉCTRICO.
FIN DE UNIDAD